NTP协议介绍及实现方案(服务器端和客户端)

NTP协议介绍及实现方案
1 NTP协议简介 (2)
2 NTP协议实现原理 (2)
2.1 NTP协议的分层结构 (2)
2.2 NTP协议的对时方式 (3)
2.3 NTP协议的工作模式 (4)
3 NTP报文格式 (4)
4 NTP实现方案 (7)
4.1 服务器端实现方案 (9)
4.2 客户端实现方案 (11)
5 遗留问题 (12)
6 参考文献 (12)
1 NTP协议简介
NTP（Network Time Protocol，网络时间协议）是由RFC1305定义的时间同步协议，用来在分布时间服务器和客户端之间进行时钟同步，同时也是一个因特网标准，它采用应用层同步方法将计算机时钟和UTC时间（格林尼治时间）进行同步，因此时间精度不高，一般在10ms到100ms之间。

NTP协议属于应用层协议，定义了协议实现过程中所使用的结构、算法、实体和协议，它是基于IP和UDP的，也可以被其它协议组使用。

NTP协议时OSI参考模型的最高层协议，符合UDP传输协议格式，拥有专用端口123。

NTP协议是OSI参考模型的高层协议，符合UDP传输协议格式，拥有专用端口123，在嵌入式linux系统中，采用Server/Cilent的模式来实现网络通信，客户端主动提出申请，而服务器端被动打开。

又由于使用UDP套接字建立连接的好处在于，只有被该套接字指定为远程地址的计算机端口才能向该套接字发送数据，如果没有建立连接，任何IP地址和端口都能将数据发送到这个UDP套接字上。

所以采用建立连接的UDP套接字来传输时间信息。

2 NTP协议实现原理
2.1 NTP协议的分层结构
NTP采用分层的方法来定义时钟的准确性，可分为从0~15共16个级别，级别编码越低，精确度和重要性越高。

第0级设备是时间同步网络的基准时间参考源，位于同步子网络的顶端，目前普遍采用全球卫星定位系统，即由GPS播出的UTC时间代码。

级别(n+1)从级别n获取时间。

图1 NTP协议分层结构图
子网络中的设备可以扮演多重角色，可以做客户机、服务器，也可以做对等机。

比如图1中的第二层设备，对于第一层来讲是客户机，对于第三层来讲是服务器，对于第二层其它设备来讲可以是对等机。

NTP协议就是通过这种网络层状结构一层一层延伸下去，为其它设备提供对时服务。

2.2 NTP协议的对时方式
NTP协议的精确对时主要是在主从工作方式下实现的。

NTP算法首先要根据服务器和客户端的往返报文来确定两地时钟的差值和报文在网络中传输的延迟。

求出多组差值和延迟值之后，将误差明显很大的去掉，然后根据时钟选择算法选则合适的时延来调整客户端时钟。

假设客户方A要向服务器方B请求时间服务。

A首先要生成一个标准的NTP 查询信息包，通过网络发送到B。

B收到查询信息包后，根据自己的本地时间，生成一个标准的NTP时间信息包，通过网络发回给A。

具体过程如图2所示。

图2 NTP服务器和客户端对时过程
图2中，T1为客户方发送查询请求时间，T2为服务器收到查询请求的时间，T3为服务器回复时间信息包的时间，T4为客户方收到时间信息包的时间。

T1包含在A发到B的查询信息包中，到了B方后，B记下T2和T3的时间，并将其写到回复给A的时间信息包中。

当这个包到达A时，A记录下当时的时间T4。

这样，A就拥有了4个时间T1、T2、T3、T4，通过这几个值计算出A和B之间时间上的差值，用以调整客户方时钟。

假设A与B之间时差值为θ，A和B之间用于网络传输的往返延时为δ，A
δ，B发送至A的回复信息发送至B的请求信息在网络上传播所消耗的时间为
1
δ。

则有：
在网络上传播所消耗的时间为
2
21132412
T T T T θδθδδδδ=++⎧⎪-+=⎨⎪=+⎩ （1）
如果查询信息包和回复的时间信息包在网络上传播的时间相同，即当网络路
径对称时有12δδ=，则由式（1）可得： 2143()()24132()()T T T T T T T T θδ---⎧=⎪⎨=---⎪⎩
（2） 时差θ可直接由T 1、T 2、T 3、T 4四个时刻值计算得到，与往返时延无关。

但实际情况中，网络路径是不对称的，时差θ只能由式（1）计算得到，此时就必须估计出网络传输的单程延时，影响NTP 协议精度最关键的因素在于由网络延迟的随机性而导致的始终延迟计算的不准确。

2.3 NTP 协议的工作模式
NTP 协议支持三种对时方式： （1）服务器客户端模式：用户向一个或几个服务器提出服务请求，根据所交换的信息，计算两地时间偏差和网络延迟，从中选择认为最准确的时间偏差，并调整本地的时钟。

（2）广播模式：此种模式适用于高速的局域网中。

局域网中一个或多个服务器以固定的时间周期向某个多播地址广播自己的时标，客户端不计算时间偏差和网络延迟，直接用收到的时标修正自己的时钟，忽略各种误差。

该种方式的精度不高。

（3）对称模式：两个以上的时间服务器互为主从，进行时间信息的通讯，相互校正对方的时间，以维持整个同步子网的时间一致性。

该种方式的可靠性比较高。

对称模式和服务器客户端模式两种方式比较类似，只是服务器客户端模式不给同层的时间服务器提供时间同步服务。

3 NTP 报文格式
NTP 有两种不同类型的报文，一种是时钟同步报文，另一种是控制报文。

控制报文仅用于需要网络管理的场合，对于时钟同步功能来说并不是必须的。

时钟
同步报文封装在UDP报文中。

NTP的报文格式见图3所示。

图3 NTP协议时钟同步报文格式
Leap Indicator(LI)：2bit 码，对当日发生的跳跃(闰秒)的最后一分钟发出警告，插入或者删除了一秒。

VN(Version Number)：3bit 的整数，表示NTP 的版本号码，目前最新的版本是3。

Mode：3bit 整数，表示工作模式，其定义的数值如表1所示。

表1 工作模式字段描述
0 保留
1 主动对称
2 被动对称
3 客户端
4 服务器端
5 广播
6 保留给NTP 控制信息
7 保留给个人使用
Stratum：8bit 的无符号整数，值越大，层数越低，值越小，层数越高，表示级别更高的服务器。

最大值为15，其数值定义如表2所示。

0 无定义
1 首级时钟源
Poll：8bit有符号整数，表示相继两个消息间的最大间隔。

单位为秒，以2 的幂表示，范围在NTP.MINPOLL 和NTP.MAXPOLL 之间，理论上的范围为
4(16sec)-14(16284sec)，大多数实际应用范围为6(64sec)-10(1024sec)。

Precision：8bit 有符号整数，用来表示本地时钟的准确性，单位为秒，以2 的幂表示。

Root delay：32bit有符号定点数，表示到主要时间源往返的时间延迟，小数点在15 和16bit 之间。

依靠相对的频率和时间作为补偿，记录值可呈现
正值和负值，范围从几毫秒到几百毫秒。

（本地时钟和当前时钟源同步得到的网络延迟）。

Root dispersion：32bit 有符号定点数，表示相对于主要时间参考源的最大差错，小数点在15 和16bit 之间，只有可能出现正值，这值通常从0 毫秒到几百毫秒。

（本地时钟和当前时钟源同步得到的最大可能误差的最佳估计值）。

Reference Clock Identifier：32bit 码，识别特殊的参考时间源。

0 层（未具体说明）或1 层（主要参考），这是一个 4 组8bit、左边对齐的0 填充ASCII 字符串，ASCII标识符说明见表3所示。

表3 ASCII标识符说明
Reference timestamp：本地时钟最后被设定或校正的时间，64bit．
Originate timestamp：Client 对Server 发出请求的本地时间，64bit．
Receive timestamp：请求到达Server 的本地时间，64bit．
Transmit timestamp：Server 对Client 发出响应的本地时间，64bit．
Authenticator (optional)：当NTP 认证机制被实现时，此项包含有认证信息。

4 NTP实现方案
图4 使用NTP协议实现对时的应用
图4中，北斗/GPS双模授时机从GPS/BD卫星接收时间信号，需要校时的设备通过Internet向时间服务器发送NTP查询信息包，时间服务器接收并生成时间信息包，再通过Internet发送给校时请求方。

4.1 TCP/IP通信协议选择
TCP/IP协议模型与OSI参考模型一样采用了分层结构，但是它更侧重于互联设备之间的数据传输，而不是严格的功能层次划分。

该模型称为DARPA，时根据最初开发TCP/IP的美国政府机构的名称命名的。

DARPA模型共分4层，见图5所示。

(1)数据链路层：数据链路层管理网络的连接并提供网络上的报文输入／输出。

它主要包括ARP地址解析协议和RARP逆地址解析协议，以太网接口芯片及其驱动程序。

(2)网络层：网络层处理报文的路由管理，根据接收报文的信息决定报文的去向。

它包含了TCP／IP协议族里的IP协议、ICMP协议、IGMP协议。

(3)传输层：传输层的作用是管理源和目的之间的报文传输。

这一层包含了两个协议。

一个是有连接的TCP协议，一个是无连接的UDP协议。

(4)应用层：应用层包括一些服务，这些服务是和用户相关的认证、数据处理、压缩等等。

它主要包括FTP协议、SMTP协议、SNMP协议、Telnet协议等等。

图5 TCP/IP协议参考模型
TCP/IP参考模型共有4层：应用层、传输层、网络层和链路层。

与OSI参考模型相比，TCP/IP参考模型没有表示层和会话层。

链路层相当于OSI模型中的物理层和数据链路层。

NTP协议中接收和发送数据量较小、可靠性要求也不是很高，所以NTP协议包的传输采用可靠性要求不高的UDP报文，系统只需要实现TCP/IP协议的一个子集。

相应的协议处理流程见图6所示。

网络层实现ARP、IP、ICMP协议。

ARP协议主要完成网络地址（IP地址）与以太网物理地址的转换，包括ARP请求和应答。

IP协议是TCP/IP协议族中最核心的协议，所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP数据都以IP数据报文格式传输，NTP协议是UDP协议的子集，NTP报文是以UDP数据报文格式传输的。

ICMP协议负责对IP包的失败发送进行诊断并报告错误。

在传输层实现UDP协议。

UDP协议是无连接的传输层协议，与TCP协议相比，使用该协议传输数据时通信双方无需事先建立连接，因而实现起来比较简单、
传输速度也比较快，特别适合网络时间同步服务。

使用UDP 协议可以减轻系统的负担，使服务器能够应付多客户端重复请求对时的状况，保证时间同步服务的响应速度和的精度。

UDP 数据字段包含NTP 报文的全部内容。

应用层接收经过UDP协议解析的NTP报文，根据NTP协议拆开报文，并计算时间同步所需要数据。

图6 TCP/IP协议处理流程
4.2 服务器端实现方案
NTP接口包括客户端和服务器端软件，这两部分是相互独立，互不影响。

对于服务器端，设备要求能接收NTP查询数据包，按NTP协议规范，从本地时间产生NTP信息数据包并发回给查询方。

服务器方的总体设计方案见图7所示。

图7 服务器方总体设计方案
该系统主要由3部分组成：GPS/BD时钟源部分、单片机数据处理部分和网络接口部分。

GPS/BD时钟源提供与UTC时间同步的1PPS脉冲和10KHz时钟输出。

RS-232串口输出UTC时间，精确到秒。

CPLD实现一个14位计数器和一个锁存器，接收机每一次1PPS信号清空计数器，然后计数器开始计数10KHz脉冲个数，当单片机需要取用时间时，给锁存器一个中断，锁存器锁存计数器计数个数，然后送给单片机，作为当前时刻秒以下的时间。

单片机从串口接收秒以上的UTC时间，从锁存器接收精度在ms级的UTC 时间，两处接收的时间组合成NTP报文需要的64bit二进制时间。

网络接口芯片实现报文的网络传输。

服务器方的软件设计方案见图8所示。

图8 服务器方软件设计方案
4.3 客户端实现方案
对于客户端，设备需要能产生合乎协议标准的NTP查询信息包发送给服务器，并能对服务器返回的时间信息包进行检查、分析，并生成NTP时间与本地时间的差值，进而对本地时间进行调整实现同步。

客户端的软件设计方案见图9所示。

图9 客户端软件设计方案
5 遗留问题
6 参考文献
[1]基于NTP协议的网络时间服务系统的实现.赵科佳，张爱敏，宁大愚.电子测试.
[2]基于NTP协议的网络时间同步系统的研究与实现.陈敏.华中科技大学.硕士论文.
[3]NTP协议的研究、实现与应用.张红.重庆邮电学院.硕士论文.。